Progresso da pesquisa sobre inibidores de escala ecológicos para o desenvolvimento de campos petrolíferos

O desenvolvimento de inibidores de escala:

Os inibidores de incrustação inibem a formação de incrustações interrompendo uma ou mais etapas do processo de formação de incrustações. Na década de 1930, inibidores naturais de incrustação de polímeros, como lignina e tanino, foram usados para prevenir a formação de incrustações, mas sofriam de desempenho instável e exigiam altas dosagens. Na década de 1950, para aumentar sua inibição de incrustação, os inibidores naturais da incrustação de polímeros foram gradualmente substituídos por fosfatos inorgânicos, como o tripolifosfato de sódio. Na década de 1960, fosfatos orgânicos, como o ácido aminotrimetileno fosfórico, foram desenvolvidos. Os inibidores da incrustação de fosfato oferecem inibição de incrustação excelente e estável e, por muito tempo, dominaram as classificações de inibidores de incrustação. No entanto, os inibidores da incrustação de fosfato contêm grandes quantidades de fósforo, que podem facilmente causar eutrofização, danificando gravemente o ambiente aquático e colocando em risco a sobrevivência e o desenvolvimento humano. Portanto, na década de 1970, foram sintetizados inibidores da incrustação de Eles oferecem melhor desempenho de inibição de escala, mas têm uma tolerância menor para o cálcio. Na década de 1990, inibidores de escala à base de ácido sulfônico com maior estabilidade e resistência à temperatura, como o copolímero de ácido sulfônico AA-metacrílico, foram desenvolvidos. Como os inibidores de escala tradicionais são difíceis de degradar, as pessoas gradualmente perceberam sua ameaça potencial ao ambiente ecológico. No final do século 20, foram desenvolvidos inibidores de escala verdes e ecológicos, como o ácido poliepoxissucínico e o ácido poliaspártico. Esses inibidores de escala sem fósforo e nitrogênio, biodegradáveis e seguros para água têm sido um hotspot de pesquisa no campo do inibidor de escala. Em 2015, foi promulgada a norma nacional obrigatória GB 31570-2015, "Padrão de Emissão de Poluentes da Indústria de Refinagem de Petróleo", estipulando que o teor total de fósforo na água descarregada não deve exceder 1,0 mg / L. Portanto, a pesquisa com inibidores de escala deve se concentrar na redução das emissões de fósforo na fonte e na proteção do meio ambiente ecológico, visando o desenvolvimento de inibidores de escala verde não tóxicos e não poluentes.

Inibidores de escala ecológicos:

Desenvolvidos em resposta à tendência de construção de uma sociedade ecologicamente correta, os inibidores de escala verde oferecem vantagens como eficiência de inibição em alta escala, biodegradabilidade e respeito ao meio ambiente. Atualmente, os inibidores de escala verde mais comuns usados em campos petrolíferos são o ácido poliepoxissucínico (PESA) e o ácido poliaspártico (PASP). Para melhorar a eficácia desses dois inibidores de escala verde em campos petrolíferos, muitos pesquisadores introduziram recentemente em grupos PESA e PASP com alta eletronegatividade que facilita a quelação com cátions metálicos como Ca2 +, Mg2 + e Ba2 +, ou aumenta a solubilidade de cátions metálicos em solução.

A Tabela 1 resume vários grupos funcionais comumente usados para modificar PESA e PASP e sua biodegradabilidade. 

2.1 Inibidor de Escala de Ácido Poliepoxissucínico

O inibidor de escala de ácido poliepoxissucínico (PESA) é um inibidor de escala verde livre de fósforo e nitrogênio desenvolvido nos Estados Unidos na década de 1990. Exibe excelente biodegradabilidade e adaptabilidade ambiental relativamente boa, tornando-o adequado para ambientes aquáticos com altas concentrações de álcalis e metais. As moléculas de PESA contêm múltiplos grupos carboxila, que ionizam após a dissolução para produzir ânions carboxila. Sob condições alcalinas, esses ânions carboxila podem transformar a estrutura da cadeia da molécula inibidora de incrustação de curva para reta, expondo grupos mais carregados negativamente. Isso torna mais fácil para eles adsorverem e ficarem emaranhados em cristais de incrustação, deformando-os e afetando seu crescimento ou mudando sua forma cristalina, inibindo assim a formação de incrustação. Além disso, os grupos carboxila podem quelar com íons de cálcio e magnésio para formar quelatos solúveis, aumentando sua solubilidade e alcançando a inibição de incrustação. A rota geral de síntese do PESA é a seguinte: o anidrido maleico é hidrolisado em condições alcalinas para produzir maleato de sódio. Em seguida, o maleato de sódio é epoxidado na presença de um catalisador (tungstato de sódio) e um oxidante (peróxido de hidrogênio) para produzir epoxissuccinato de sódio. Finalmente, o epoxissuccinato de sódio é polimerizado na presença de um iniciador (hidróxido de cálcio) para formar ácido poliepoxissucínico. O PESA tem bom potencial de inibição em escala, mas sua resistência a altas temperaturas é pobre e tem um efeito limiar, o que limita sua faixa de aplicação. Portanto, o foco da pesquisa no PESA é ampliar a faixa de aplicação do PESA, incluindo o alargamento da temperatura aplicável e o aumento do limite superior da concentração de íons. Para aumentar o desempenho de inibição em escala do PESA, os pesquisadores desenvolveram uma série de derivados do ácido poliepoxissucínico introduzindo alguns grupos modificados. 

2.1.1 Introdução de grupos modificados para melhorar o desempenho do PESA 

(1) Introdução de -NH2 para aumentar a capacidade de adsorção

(2) Introdução de -COOH para aumentar a capacidade de quelação e distorção da rede

(3) Introdução de -CO-NH- para aumentar a biodegradação, adsorção e quelação

2.2 Inibidor da escala do ácido poliaspártico

O inibidor de escala de ácido poliaspártico (PASP) também é um inibidor de escala verde que é não poluente, não tóxico, inofensivo e facilmente biodegradável. O PASP tem estruturas do tipo β e β e também contém grupos carboxila. Os grupos carboxila ionizam, gerando íons negativos que quelatam com íons metálicos como Ca2 + e Mg2 +, aumentando assim sua solubilidade e alcançando a inibição da escala. A Figura 5 mostra a rota de síntese atual do PASP. Primeiro, a polissuccinimida intermediária (PSI) é sintetizada, seguida pela hidrólise alcalina do PSI para produzir PSAP. Dependendo das matérias-primas, a síntese de PSI pode ser realizada usando ácido L-aspártico (L-Asp) como reagente ou usando anidrido maleico (MA) e sais de amônio como reagentes.

2.2.1 Apresentando grupos modificados para melhorar o desempenho do PASP

(1) Introdução de -CO-NH- para aumentar a biodegradação, adsorção e quelação

(2) Apresentando -SO3H para aumentar a resistência a altas temperaturas

(3) Introdução de -OH para aumentar a capacidade de adsorção

Problemas e perspectivas

Atualmente, muitos inibidores de escala verde mostraram bom desempenho de inibição de escala, e até mesmo a taxa de inibição de escala pode chegar a 100%. No entanto, esses inibidores de escala verde são principalmente direcionados a um tipo de escala e a pesquisa sobre o mecanismo de inibição de escala não é aprofundada o suficiente. Além disso, o controle de custos e a industrialização de inibidores de escala verde precisam ser estudados. Para obter um inibidor de escala de campo petrolífero que seja biodegradável, verde, não tóxico, econômico e não represente nenhuma ameaça ao meio ambiente e ao ecossistema, ainda há muito trabalho a ser feito:

(1) Investigação e desenvolvimento de inibidores de escala adequados para escalas compostas. Os atuais inibidores de escala verde só podem exercer efeitos de inibição de escala em um determinado tipo de escala, mas não podem mostrar efeitos de inibição de escala em várias escalas ao mesmo tempo.

(2) Investigação sobre o mecanismo de inibição da escala dos inibidores da escala verde. A descrição do mecanismo de inibição da escala dos inibidores da escala verde ainda se encontra a um nível qualitativo, com poucos dados específicos para o sustentar. Em particular, a exploração dos efeitos sinérgicos específicos dos mecanismos de inibição da escala múltipla carece ainda mais de dados de apoio.

(3) Reciclagem e reutilização de inibidores da escala verde. A fim de poupar recursos e reduzir o custo do desenvolvimento de campos petrolíferos, é de grande importância estudar a reciclagem e reutilização de inibidores da escala verde. No entanto, existem actualmente poucos investigadores a realizar investigação aprofundada sobre esta questão.

(4) Industrialização da síntese de inibidores de escala verde. O objectivo da investigação e desenvolvimento é optimizar a rota de síntese, utilizar matérias-primas abundantes, facilmente disponíveis e de baixo custo para a síntese, melhorar o rendimento, acelerar a produção industrial e permitir que os inibidores de escala verde sejam aplicados mais rapidamente ao desenvolvimento de campos petrolíferos.